IIC与SPI及UART通讯原理讲解

浪矢杂 · 发表于 2019-2-21 15:12:20

本帖最后由浪矢杂于 2019-2-21 15:17 编辑

回归山顶洞人时期，简单聊一下IIC SPI UART

假如你在一个有电的山顶洞人时期，但你们若干个部落之间正懊恼如何通讯的呢，这时秀儿他来了。

IIC

先解决一些基础问题，定下了一些规则。

1. 他在你们所有部落中架起了两条线，一条叫双向串行数据线(SDA)，看名字就是到是用来传数据的，一条串行时钟线(SCL) ，相当你们部落的一个共同时间用来约定通讯时间让你们达到同步性。（一个I2C 总线只使用两条总线线路）

2. 这两条线上的部落都有一个通讯地址（相当于现在的门牌号），在通讯前你肯定要说你和哪个部落通电话是吧。不然不就乱套了嘛。（每个连接到总线的设备都有一个独立的地址）

3. 由于你们可能多个部落同时通讯，为了防止通讯错乱，就请一个人来做仲裁，决定先给哪个部落用通讯线路。（多个主机同时使用总线时，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线）

[size=12.0000pt]4. 还有就是你们说话的速度也要约定，不然你说两分钟我才听一分钟那就不行了。（具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s）

然后就来个通讯示范

file:///C:\Users\mayn\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps4F4A.tmp.jpg

芬儿在隔壁部落有一个恋爱对象彬儿，今晚芬儿想约彬儿去虚拟，于是。。。

他们得到了仲裁官牙儿的同意可以使用通讯线路

于是芬儿：S(起始信号，接下来就是他的表演时间了)+SLAVE ADDRESS (从机地址，彬儿部落的门牌号)+传输方向的选择位（芬选择要说还是要听）

于是彬儿：（应答ACK）：好！你说吧！ [从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据]

于是芬儿:（传输数据(DATA) ，数据包的大小为 8 位)：今晚。。。。。

于是彬儿：（应答ACK）：哦，知道了

。

。说多少话都没有限制，但是芬说完一句彬一定要回应，芬才会接着说，不然对方不在听而你还在自言自语。（主机每发送完一个字节数据,都要等待从机的应答信号(ACK)，主机才能继续发送数据）

。

最后芬儿：（停止传输信号(P)）：那今晚B3-4楼等你，再见宝贝！么么哒！（当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据）

写和读（反过来通讯）都差不多不做过多解释！到现在你应该有一个比较清晰的总体框架了。那下面我就一本正经的补全你脑子里的框架了。（程序你只要单独写好下面几个部分的程序，然后配合使用就可以完成了）

一．起始&停止信号

file:///C:\Users\mayn\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps4F4B.tmp.jpg

二．发送&接收单个字节（数据有效性）

file:///C:\Users\mayn\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps4F4C.tmp.jpg

三．三．应答&非应答

file:///C:\Users\mayn\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps4F5D.tmp.jpg

到此所有IIC通讯框架完成。通讯按规定来传输即可。

SPI

由于IIC是在所有的部落中对照门牌号来找通讯部落的不方便花心的你，而且通讯只能一方说一方听，不方便心急的你，所以SPI来了。

file:///C:\Users\mayn\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps4F5E.tmp.jpg

这时你应该知道了吧，SPI可以让你边说边听，是不是相对于IIC来说通讯速率提高了。

而且它不用应答了。

下面就在一本正经的讲一下SPI：

file:///C:\Users\mayn\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps4F5F.tmp.jpg

SPI和IIC一样有起始和停止信号，数据有效性

1. 起始&停止信号

有点像现在的对讲机按下说话一样。起始信号：NSS 信号线（片选线 S）由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。停止信号：NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号！

2. 数据有效性：

先根据上图模式来说，一个时钟周期传输一位数据，根据上面的图得MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出，在SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻， MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0” ，然后在其他时刻都没有效了，不管你说多少次想她她都听不到。还有SPI每次传输得数据可以是8位或16位，但是IIC就不行，因为IIC规定了8位后要应答一声，但SPI不需要。

3. 通讯模式：我也不知道是啥必要让发明他的人这么无聊。做这么多模式。

①根据SCK在通讯前的电平状态分为CPOL=0（SCK低电平）CPOL=1（SCK低电平）

②根据对MOSI 或 MISO 采样时刻是SCK的奇数还是偶数边沿，分为CPHA=0 （奇数边沿”采样），CPHA=1 （“偶数边沿”采样）上面讲的是CPHA=1的模式。

file:///C:\Users\mayn\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps4F60.tmp.jpg

各种语言代码的实现就根据电平的变化规则来写，难度不大了。

UART（串口异步通讯）

两个村落之间的单独通讯都有了，但是你们开始想做一个来大家开会用的，首领说所有村落都能听到，于是有了串口异步通讯这种方案，一般只使用3条线：TX：（首领和所有部落说话的通道）,RX（首领听某个部落发言的通道）,GND（你们之间的某种很必要的规定），然后这里需要注意的是首领的TX要和其余部落的RX接上，RX接其余部落的TX，不必要纠结这个线的接法与前面的SPI为啥不一样，总之嘛你们都是嘴对着对方耳朵的，这里只是无聊换了个叫法罢了。

file:///C:\Users\mayn\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps4F70.tmp.jpg

由于是开大会嘛，大家就没有必要对门牌号了，接上线的大家都听到的，所以串口通讯不需要地址。说话的格式是：开始信号+话的内容+检验位（检验首领的话有没有传错避免三人成虎）+停止信号这个就简单多了！

现在你们又有了新的对话的规则；

波特率: （官方话：波特率是衡量数据传送速率的指标=每秒钟通过信道传输的码元数）有点前面两种通讯的SCK一样，用来约定你说话的速度，前面IIC和SPI都是大家有一个共同时钟来做约定，比如一秒说一个字，现在不用拉时钟线了但是你说话的速度得有规定（码元的长度），不然下面就没办法听懂你说啥了（信号解码）。

主体数据内容：现在这个说话有一个不足啊就是你说话每一句有字数限制了（有效
数据的长度常被约定为 5、 6、 7 或 8 位长）

数据校验：就是检验你说的话有没有在传得过程中出错（校验方法有奇校验、偶校验，0校验，1校验以及无校验）举个例子：“我爷我爸去你家玩+校验位”如果是奇校验得话就要求刚才说话的内容和检验位的“我”（通讯中数“1”）为奇数，所以检验为“我”，“我”才达到奇数，偶检验反之。1校验(检验位一直都是“1”)。0校验反之。无校验，没啥可说的。

GND:串口通讯常用有两种标准“RS-232标准”与“TTL 标准”（只是表示“0”“1”的电压不同）因此两个通讯设备之间的地电位可能不一样，这会影响收发双方的电平信号，以两个串口设备之间必须要使用地线连接，即共地来做约定。

UART与USART:前者就是异步串口通讯，后者就是同/异步串口通讯，简单区分就是否需要通讯同步通讯时钟信号来区分。

好了就先聊这三个通讯方式了，我们以开车来讲解一下通讯分类

1. 按数据传送的方式，通讯可分为串行通讯与并行通讯以高速路小说一下：并行通讯就是很多个车道，车可以并排行驶，串行通讯就是单通道高速收费站每次只能有序的过一辆车。通讯速率快慢可想而知。